引信安全與解除隔離裝置的仿真模型構建

張世偉,李 波,王亞斌,李世中

(1.中北大學機電工程學院,山西 太原 030051;2.北京理工大學機電學院,北京 100081)

0 引言

安全系統作為引信不可或缺的一部分,它在引信生產、勤務處理、裝填、發射直至延期解除保險的各種環境中起著至關重要的作用,是引信滿足安全性的重要保障[1-3]。安全性和可靠性是引信完成作戰任務的根本保證,是引信設計必須要滿足的條件。在彈射試驗過程中,會出現引信瞎火現象,經研究發現此現象主要是由引信安全與解除隔離裝置中的部件力學失效引起的。

針對引信安全系統,文獻[4]用ADAMS軟件對安全系統結構的動力學方程進行仿真分析,得到引信安全與解除隔離裝置回轉體部件在彈道環境下的運動規律;文獻[5]通過離心試驗分析安全與解除隔離裝置中閉鎖銷離心時的狀態,找出導致安全系統未完全解脫保險的主要原因;文獻[6]通過對安全系統解除保險過程進行仿真分析,得出了安全系統從安全狀態到待發狀態過渡過程中系統的安全程度和解除保險程度的變化規律。

彈丸在膛內的運動過程中承受著復雜的環境力,引信安全系統也處在一個復雜的力學環境中,故引信在設計之初,其安全機構各個部件必須經過嚴格的強度校核。在安全系統中安全與解除隔離裝置主要起隔爆作用,其力學失效將會導致引信出現瞎火現象。本文通過模擬彈丸的膛內運動,分析引信安全與解除隔離裝置在此過程中的力學特性,對安全與解除隔離裝置部件的力學失效給出解釋。

1 原理分析

1.1 安全系統工作原理

安全系統工作原理如圖1所示。

圖1 安全系統工作原理Fig.1 Working principle of security system

安全系統工作原理:引信在生產、勤務處理、裝填過程中,安全系統中的回轉體部件通過兩個離心爪和后坐銷簧作用的后坐銷,被固定于隔離位置;當彈丸發射時,在后坐力的作用下,后坐銷壓縮后坐銷簧往下移動,回轉體的一個約束被釋放;當彈丸出炮口后,兩個離心爪在離心力作用下克服離心爪簧抗力到飛開,從而回轉體部件的另一個約束也就得到了釋放,偏心的回轉體部件在離心力作用下帶動齒輪系統工作;達到安全距離后,其回轉體部件能轉正到位,由閉鎖銷鎖定,引信處于待發狀態[5]。安全與解除隔離裝置模型如圖2所示。

圖2 安全與解除隔離裝置模型Fig.2 S&A device model

1.2 建模原則

進行顯式仿真分析的第一步是要對炮管彈體、引信體進行建模,計算和分析是否高效、準確是由模型質量直接決定的,所以在建模過程中需要遵循如下原則:

1) 數值模型要盡可能準確地反映真實的系統結構,能簡化的位置適當簡化,但要確保模型不失真;

2) 仿真計算之前,模型尺寸單位、材料屬性單位、時間單位等要保持統一,確保和試驗基本一致;

3) 劃分網格時,單元的大小選取要合適,盡可能避免過大或者過小的網格出現,網格過大可能會導致較大的誤差,過小則會造成計算時間過長。若必須采用小單元網格劃分,可用質量縮放來增大時間步長[7]。

彈-引系統、引信體網格模型如圖3、圖4所示。

圖3 彈-引系統六面體網格模型Fig.3 Hexahedral grid model of missile-fuze system

圖4 引信體六面體網格模型Fig.4 Hexahedral mesh model of fuze body

1.3 材料本構模型

考慮到彈體在炮管運動過程中質量侵蝕和嚴重變相幾乎不存在,彈體、引信體材料采用塑性硬化模型。用 Cowper-Symonds 模型考慮應變率,屈服應力表達式為

(1)

彈體材料通常采用高強度鋼35CrMnSiA,材料參數如表1所示。

表1 彈體主要材料參數Tab.1 Main material parameters of projectile

引信體材料通常采用鋁合金材料,材料參數如表2所示。

表2 引信體材料參數Tab.2 Fuze body material parameters

1.4 膛內壓力分析

彈帶完全擠入膛線開始直至離開炮口的時期稱為膛內時期。膛內時期合力Fpt表達式為[9]

式(3)中,Ft為火藥燃氣作用在膛底的力,表達式為

式(4)中,ω為火藥裝藥質量;m為彈丸質量;φ1僅考慮彈丸旋轉和摩擦兩種次要功的計算系數,一般φ1≈1.02;φ為次要功系數,φ≈φ1+ω/(3m);p為膛內平均壓力;pt為火藥燃氣膛底壓力;At為藥室膛底的截面面積。

式(3)中,Fzm為火藥燃氣作用在藥室錐面上的軸向分力,表達式為

Fzm=pzm(At-A)≈(At-A)pt,

(5)

式(5)中,(At-A)為藥室錐面在垂直炮膛軸線方向的投影面積,A為導向部分的橫截面積,pzm為整個錐面上火藥燃氣壓力平均值。

式(3)中,Fdx為彈丸作用在膛線上的軸向分力,表達式為

2 仿真方法

Hypermesh軟件是美國Altair公司的產品,它具有非常強大的前處理功能。LS-DYNA適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞及爆炸等問題。本文運用Hypermesh軟件的前處理功能對模型進行了網格劃分、屬性賦予等工作,之后用LS-DYNA求解器進行求解計算、后處理等工作。

2.1 模型建立

建立完整的炮管-彈體-引信體三維模型,對引信安全系統的分析,根據以上建模原則,對仿真結果影響程度較小的部件以質量塊配重的形式體現,對仿真結果影響較大的部件及相關結構詳細建模。其中,彈軸方向與x軸方向重合。炮-彈-引系統模型如圖5所示。

圖5 炮-彈-引系統三維模型Fig.5 Three-dimensional model of gun-projectile-fuze system

1) 火炮身管模型

本文研究的是線膛炮引信安全系統,為了能夠準確模擬出彈體在膛內的運動,需要對炮管的膛線進行詳細建模。根據已知數據,火炮身管內徑155 mm,48條右旋漸速-等齊混合膛線,纏距3 100 mm,膛線三維模型如圖6所示。

圖6 膛線三維模型Fig.6 Three-dimensional model of rifling

2) 引信模型

就引信部件而言,重點研究安全與解除隔離裝置的動態特性,需要詳細建模,而觸發機構、延期機構以及延期機構壓螺等,只需保留其外形輪廓,保證質心位置的準確,以配重質量塊的形式體現在模型中。引信部件模型如圖7所示。

圖7 引信部件模型Fig.7 Fuze component model

3) 彈體模型

彈體模型只對彈帶部分進行詳細建模,內部以質量配重的形式建模。

4) 膛壓曲線模型

由試驗測得的火炮膛壓p與時間t的表格函數得到圖8所示的膛壓曲線。

圖8 試驗膛壓曲線Fig.8 Test chamber pressure curve

圖8所示膛壓曲線包含了彈帶擠入膛線的過程。本文研究彈丸從彈帶擠入完成后至出炮口這一運動過程,需要去除彈帶擠進膛線完成前的膛壓數據。

根據動量定理式(7),按照時間逆序的方式,從后往前積分,直到積分值等于mvmax,找到t0時刻,即仿真初始時刻。

(7)

式(7)中,Fpt為膛壓,vmax=900 m/s。得到自彈帶擠入完成后的膛壓曲線,如圖9所示。

圖9 仿真膛壓曲線輸入Fig.9 Input of simulated chamber pressure curve

2.2 模型驗證

對試驗彈體進行敲擊試驗,并根據彈體有限元模型對敲擊試驗進行仿真,如圖10所示。將仿真數據與試驗數據進行對比,以驗證彈體有限元模型的準確性。敲擊位置共三處,如圖10中A、B、C三點處,使用力錘用大小不同的力進行敲擊,敲擊力大小由力錘連接的力傳感器測出,作為仿真時的輸入條件,試驗時彈引間螺紋的預緊程度相同。

圖10 彈體敲擊試驗與仿真Fig.10 Test and simulation of projectile percussion

A、B、C三點處敲擊試驗結果與仿真結果數據對比如圖11所示。

對比仿真獲得的數據與彈體敲擊試驗獲得的數據,可以看出仿真獲得的加速度曲線的波峰、波谷、脈寬與試驗獲得的加速度曲線的波峰、波谷、脈寬基本吻合,說明我們創建的彈體的有限元模型較為準確。

圖11 敲擊試驗結果和仿真結果Fig.11 Knock test results and simulation results

2.3 邊界條件設置

對炮-彈-引模型設置邊界條件,對火炮身管x、y、z三方向的自由度添加約束,使火炮身管的空間位置保持固定,彈體底面添加膛壓曲線(pressure),如圖12所示。

圖12 炮膛約束及添加膛壓Fig.12 Gun bore restraintand added bore pressure

3 仿真結果分析

通過ANSYS中LS-DYNA求解器對炮-彈-引系統進行仿真計算,提取彈體、引信體和安全與解除隔離裝置三個部件沿x,y,z三個方向的加速度過載信號,通過數據處理,繪出幅值包絡線,如圖13所示。

圖13 彈體、引信體和安全與解除隔離裝置三方向加速度包絡曲線Fig.13 Acceleration curves of projectile, fuze and isolation mechanism in three directions

根據圖13結果分析可知,在x方向(軸向)上,引信體和安全與解除隔離裝置的過載變化略滯后于彈體,過載由彈體傳遞給引信體,再傳遞至安全與解除隔離裝置的過程中,過載幅值逐級遞減,過載曲線與膛壓曲線的變化規律相似;在y、z方向(徑向)上,彈體、引信體和安全與解除隔離裝置的過載幅值基本一致,過載由彈體傳遞給引信體時,存在放大現象,由引信體傳遞給安全與解除隔離裝置時,過載進一步放大,安全與解除隔離裝置承受著最大幅值的徑向過載,這可能超過了安全與解除隔離裝置部件所能承受的過載極限。

過載在傳遞過程中被放大,針對這一現象,進行多次仿真,結果表明,通過修改材料屬性和網格質量也只是改變了過載信號的幅值,過載放大現象依舊存在。

對安全與解除隔離裝置上下夾板和擺軸進行了單獨分析,其各部件應力云圖如圖14—圖16所示。

通過上下夾板和擺軸應力云圖可以看出:上夾板最大應力出現于擺軸位置;擺軸最大應力位于擺軸與擺子相交位置;下夾板最大應力出現在回轉體軸的位置;回轉體軸最大應力位于回轉體軸與夾板連接位置;擺軸、回轉體軸、第一過渡輪軸、第二過渡輪軸的安裝孔應力相對較大,為強度薄弱點,更容易發生破壞。

圖14 上夾板受力云圖Fig.14 Stress cloud picture of upper splint

圖15 下夾板受力云圖Fig.15 Stress nephogram of lower splint

圖16 擺軸應力云圖Fig.16 Stress nephogram of pendulum axis

膛壓曲線數據由某機械觸發引信發射平臺測得,在該發射平臺下進行若干發彈射試驗,試驗結果中有2發安全系統擺體斷裂,3發安全系統擺體有明顯裂紋,所有的安全系統的第二、三夾板回轉體軸均出現明顯變形,這與仿真過程中出現的安全與解除隔離裝置應力集中部位是一致的,且容易分析出發生失效的原因是安全與解除隔離裝置部件的強度不足。而引信安全系統在設計之初經過嚴格的強度校核,理論計算是滿足強度要求的,但仿真結果和試驗結果依舊表明是強度失效,說明過載在炮-彈-引逐級傳遞過程中,由于某些原因逐步放大,超出了安全與解除隔離裝置所能承受的過載極限,導致安全與解除隔離裝置發生破壞。

過載在炮-彈-引逐級傳遞過程中逐步放大,需要對彈-引系統做進一步系統分析,找出過載放大造成的原因,重新分析安全與解除隔離裝置各零部件所能承受的最大應力及塑性變形,給出零部件動載荷下的安全系數。

4 結論

本文通過構建引信安全與解除隔離裝置模型,對中大口徑炮彈機械觸發引信通用安全與解除隔離裝置進行了分析,仿真結果證明了本文構建的仿真模型的可靠性,并得出以下結論:彈體在膛內運動過程中的軸向過載與輸入的膛壓曲線的規律是一致的,徑向過載在各個方向上基本一致;引信安全與解除隔離裝置承受最高數值徑向過載,過載在炮-彈-引模型的逐級傳遞過程中不斷放大,超出了安保機構所能承受的過載極限,導致安保機構出現故障。

過載在炮-彈-引逐級傳遞過程中不斷放大,為引信失效機理的分析提供了思路,至于造成這種放大現象的原因,還需進一步研究探索。